南海海盆俯冲消亡机制:马尼拉海沟俯冲起始的启示

占华旺 索艳慧 朱俊江 李三忠 王鹏程 王光增 周洁 王秀娟

西太平洋陆缘是现今规模最大和构造最复杂的板块边界,并形成了一系列边缘海。南海作为西太平洋最大的边缘海,现今位于欧亚板块、太平洋板块(菲律宾海板块)及印度-澳大利亚板块交汇处,其地史期间是特提斯洋构造系统与(古)太平洋构造系统的交接地带。长期以来,南海海盆的扩张形成与俯冲消亡受其周缘板块的相互制约,因此其构造发育史复杂,为近几十年来地学界一直关注的热点。许多学者已从不同角度对其进行了大量探索(Briaisetal., 1993; Barckhausenetal., 2014; Lietal., 2014; Fanetal., 2015; Wuetal., 2016; Wu and Suppe, 2018; Chiuetal., 2021),但至今仍然存在较多的科学问题有待解决,比如:南海初始张裂与初始俯冲的动力学机制?花东海盆与加瓜海脊的性质及其演化?南海扩张期后的岩浆活动特征与机制?南海岩石圈张裂/破裂模式与机制?上述一系列问题尚需进一步研究(李春峰等, 2021; 赵明辉等, 2021)。

马尼拉俯冲带位于南海海盆东部,菲律宾海盆最西端,在晚新生代以来逐步形成至今仍在活动的年轻俯冲带,其代表着南海从陆缘张裂、洋脊扩张到俯冲消亡的完整威尔逊旋回的末端(李家彪等, 2004)。作为南海形成以来唯一的俯冲汇聚边界,对马尼拉俯冲带的研究是理解南海初始俯冲过程的至关重要环节(赵明辉等, 2016, 2021),也是东南亚环形汇聚系统东侧的关键地段。前人基于最新地震层析成像,揭示了南海海盆的原始范围从现今马尼拉海沟向东可延伸400～500km(Fanetal., 2015; Wu and Suppe, 2018; Zhaoetal., 2019),然而,关于其初始俯冲时间仍存在一定的争论。一部分学者认为马尼拉俯冲带形成的起始时间为晚渐新世(Hayes and Lewis, 1984; Wang and Li, 2009);而另一部分学者则认为始于中新世(或早中新世和中中新世)(Hall, 2002; Yumuletal., 2003; 吴时国和刘文灿, 2004; 丁巍伟等, 2006; 李春峰等, 2007; Arfaietal., 2011; Huangetal., 2019; Liuetal., 2020)。

为了理清南海初始俯冲时间及俯冲消亡机制,本文基于前人最新研究成果,在综合东南亚板块重建的基础上,结合南海东部马尼拉俯冲带构造特征,厘定其初始俯冲时间,并着重论述南海周缘板块的发育演化过程,进而探讨南海俯冲起始动力学机制及其宏观大地构造背景。

1 地质背景

南海整体上可分成北部被动大陆边缘、洋盆和南部活动大陆边缘(图1, 李三忠等, 2012a, b; Pubellier and Morley, 2014; 李学杰等, 2017, 2020),几乎经历了一个完整威尔逊旋回的主要阶段,包括晚白垩世-古新世的陆缘张裂、早渐新世-中中新世的海底扩张和晚中新世以来的洋盆消亡三个阶段(Briaisetal., 1993; Frankeetal., 2014; Pubellier and Morley, 2014; Sibuetetal., 2016; Camanni and Ye, 2022)。

图1 南海海盆及周缘板块构造格局(据姜素华等, 2017修改)Fig.1 Plate tectonic units around the South China Sea Basin and its adjacent areas (modified after Jiang et al., 2017)

地形上,南海海盆为北东宽、南西窄,呈向北东开口的喇叭状。构造上,南海海盆周缘均存在明显的差异性:海盆北缘以张扭和走滑构造为主,形成北部湾、琼东南和珠江口盆地等张扭性盆地(Wangetal., 2021),但早期经历了一个短暂的南北向伸展宽裂谷阶段(Suoetal., 2023; Zhouetal., 2023);海盆南侧实际为南沙微陆块北部被动陆缘,再往南的活动大陆边缘应是南沙微陆块与婆罗洲微陆块之间的俯冲-碰撞区;海盆西缘为走滑-拉分构造为主的转换型陆缘,其主干断裂为越东断裂,控制了万安等走滑拉分盆地的形成;海盆东缘为马尼拉俯冲带,是南海海盆的真正俯冲带。整体上,以中南断裂为界,南海海盆可分为西北次海盆、西南次海盆和东部次海盆(图1)。

对于南海海盆的形成时间,前人已开展了大量的地球物理调查工作,发现整个洋盆内可识别出清晰的磁异常条带(Briaisetal., 1993; Taylor and Hayers, 1983; Hsuetal., 2004; Expedition 349 Scientists, 2014; Lietal., 2014),然而针对东部次海盆洋壳磁异常条带的研究,不同学者得出的海盆形成时间存在一定差异(32～17Ma, Taylor and Hayers, 1983; 32～16Ma, Briaisetal., 1993; 37～15Ma或33～16Ma, Hsuetal., 2004);最新大洋钻探结果揭示,东部次海盆最早开始扩张时间为～33Ma,在27Ma或23.6Ma时洋中脊扩张轴开始向南跃迁(Dingetal., 2018),且洋中脊轴向开始转变为NE走向,扩张形成西南次海盆,整体海底扩张结束的时间分别为～15Ma和～16Ma(Lietal., 2014)。

马尼拉俯冲带位于南海海盆的东部,菲律宾岛弧西侧,总体呈南北走向展布,主要位于14°N～22°N的范围内,其南北分别与民都洛弧-陆碰撞构造带和台湾弧-陆碰撞造山带相连,平面上表现为近北延伸并向西凸出的反“S”弧形特征(图2)。有学者认为其形态受俯冲的南海洋壳板片宽度所控制(陈志豪等, 2009),也有学者指出其北部的弯曲与海沟西侧的海底洋中脊俯冲有关(Bautistaetal., 2001),甚至在吕宋岛弧下诱发了板片窗构造,控制了新近纪的火山分布(Chengetal., 2019)。然而,孙金龙等(2014)通过分析该区域的地壳运动,却认为马尼拉海沟现今构造形态主要与菲律宾海板块在该区南、北部受到阻挡后沿中间区域差异性的向西楔入构造有关,与南海一侧的俯冲板片宽度无关,且与西侧的洋盆基底构造隆起阻碍无关。从形态来看,马尼拉俯冲带是南海洋壳向菲律宾海板块之下的俯冲;但从两侧板块运动速度来看,中中新世或10Ma以来,菲律宾海板块沿马尼拉海沟以7～8cm/yr的速度向NW推进,而欧亚板块向东的汇聚速率仅为1cm/yr(Liuetal., 2009; 李家彪等, 2004)。因此,目前普遍认为,马尼拉俯冲带的形成是菲律宾海板块仰冲至欧亚板块之上的结果,并推动着整个俯冲体系向西移动;若此,形态上属于东南亚环形汇聚系统的马尼拉俯冲带,其动力成因机制应归属于环菲律宾海板块俯冲系统。

2 马尼拉俯冲带分段特征

南海海盆的俯冲消亡机制受东南亚环形俯冲系统动力控制,还受环菲律宾海板块俯冲系统动力控制,是一个关键的科学问题。要解决这个问题,首先要对马尼拉俯冲带进行相关研究。基于地形地貌、地质构造及地球物理等特征的差异,将马尼拉俯冲带构造单元自西向东划分为南海海盆、马尼拉海沟、俯冲增生楔、弧前盆地(北吕宋海槽和西吕宋海槽)及火山弧(吕宋岛弧)(图2)。朱俊江等(2017)通过分析马尼拉俯冲带海沟沉积物充填厚度变化、增生楔宽度变化、海底变形特征及地壳速度结构变化,提出马尼拉俯冲带具有明显的分段特征,以巴布延断裂、菲律宾大断裂和锡布延断裂为界(图2),由北向南分为北吕宋区段、中部海山链区段和南部西吕宋区段,总体具有由南向北逐渐变新的特点。薛友辰等(2012)认为马尼拉俯冲带以巴布延走滑断裂和锡布延走滑断裂为界,可划分为北、中和南三段。北段受菲律宾海板块NWW向的楔入影响,西侧产生了台西南盆地、台西盆地及笔架南盆地,东侧也形成了弧内的吕宋海槽拉分盆地(Zhangetal., 2022);中段受南海古洋中脊向东俯冲过程中形成的“板片窗”影响(Chengetal., 2019),产生了一系列受弧内走滑断裂调节的拉分盆地;而南段受菲律宾海板块向西俯冲作用的控制,使得该段地震和火山活动强烈,且受南沙微陆块(巴拉望微陆块)的阻挡作用和菲律宾群岛中部的菲律宾大断裂的调节作用,导致马尼拉海沟平面上发生了弯曲。

本文参考薛友辰等(2012)的划分方案,北段位于巴布延断裂以北,与台湾造山带相连,其形成与吕宋岛弧与欧亚板块相互碰撞、挤压、楔入及逃逸等活动密切相关。该段西侧是走向由NE转变为NW向的弧形马尼拉海沟和增生楔,东侧为北吕宋海槽和吕宋岛弧。其中,增生楔由西向东变形程度逐渐增加且具有多个次级单元,其主要包括:高屏斜坡和恒春海脊,二者是由向西冲断的紧闭褶皱和逆冲断层组成(丁巍伟等, 2006)。北段为受火山活动影响的减薄陆壳(Sibuetetal., 2016),受到俯冲增生过程的控制,形成50～140km宽的巨大增生楔构造(Zhuetal., 2012; Lesteretal., 2013; Eakinetal., 2014)。其俯冲板块在浅部0～30km区间为10°,随着深度的增加,增至深部120km处的41°,俯冲板片逐渐变陡(任昱等, 2020)。该段受台湾弧-陆碰撞作用影响,其地表形态及延伸方向已发生较大幅度改变,从南向北逐渐由洋内俯冲演变为弧-陆碰撞和板块俯冲共同作用的结果。基于高分辨率多道地震反射剖面,就马尼拉俯冲带北段增生楔的形态、构造变形、岩浆活动及深部反射等特征,前人已进行了精细解析(尚继宏等, 2010; 王红丽等, 2019)。增生楔可分为原始沉积段、褶皱变形段、逆冲推覆段和背逆冲段四部分,分别代表着增生楔演化的不同阶段。增生楔下坡部分由盲冲断层、构造楔和叠瓦逆冲断层构成,这些逆冲断层错断了上中新统,滑脱层在中中新统延伸(图3b)。其中构造楔挤入了中中新统,导致其以上地层发生强烈褶皱和错断,而逆冲断层均终止于一条位于下中新世的滑脱面上(图3c, d)(高金尉等, 2018; 赵明辉等, 2021)。

图3 马尼拉俯冲带增生楔的构造剖面特征(据高金尉等,2018;王红丽等,2019修改)剖面位置见图2Fig.3 Tectonic profiles across the accretionary wedge in the Manila subduction zone (modified after Gao et al., 2018; Wang et al., 2019) Profiles’ locations seen in Fig.2

中段则包括了马尼拉俯冲带的中、南部分和北吕宋海沟,整体呈近SN向分布并向西凸出的弧形构造,主要受近EW向的南海古扩张脊的黄岩链状海山俯冲挤入过程中所形成的“板片窗”影响,在地震、岩浆活动、地貌特征和应力状态等方面表现出南北差异(薛友辰等, 2012)。中段由俯冲增生和剥蚀过程共同控制,形成宽度较窄的增生楔(朱俊江等, 2017)。中段增生楔中的逆冲断层均终止于俯冲拆离面上(图3a),其上沉积物被褶皱逆冲断并增生于增生楔中,其下海盆基底及其上覆沉积层一起沿该拆离面向海沟俯冲。增生楔部分在地震剖面中表现为一系列向东倾斜的逆冲断片相互叠置,在海底地形上形成了一系列隆丘和槽地。相较于北部高屏斜坡段的增生楔构造域,中段增生楔部分的叠瓦状逆冲断层组更明显有序。从增生楔变形前锋来看,中段的叠瓦状逆冲断层沿海沟轴向平行排列,各层冲断面之间分界明显,呈现较为典型的俯冲带增生楔特征,这说明俯冲带中段更接近于受构造俯冲作用控制(李家彪等, 2004; 尚继宏等, 2010)。

南段北起锡布延断裂带,南至棉兰老岛东南,包括了内格罗斯俯冲带、哥达巴都俯冲带及菲律宾海沟以西的部分。南段为正常的洋壳在马尼拉俯冲带南部的俯冲作用下形成,其可能受到构造剥蚀作用的控制,进而形成窄的增生楔构造。

总体上,马尼拉海沟俯冲带各段均具有独特的俯冲特点和复杂的构造变形特征,反映了不同的演化模式:北段由南向北以俯冲至台湾弧-陆碰撞为特征,主要为南海北缘减薄陆壳和洋壳俯冲;中段以南海古洋中脊为主的海山俯冲挤入为特征,具有一定的走滑性质并且洋中脊与两侧海山向菲律宾海板块之下俯冲;南段为“对向俯冲”,西侧马尼拉俯冲带俯冲角度随深度急剧增大,以近乎垂直的角度自西向东俯冲至地幔过渡带深度处,东侧以菲律宾海沟南缘减薄陆壳和洋壳俯冲为主(Eakinetal., 2014; Chenetal., 2015)。

3 马尼拉俯冲带起始时间及演化过程

前人对马尼拉俯冲带构造-地貌单元、演化历史及俯冲运动学等已有一定研究,但对于南海东部洋壳俯冲时间或俯冲带形成的起始时间,各学者观点存在差异。对于马尼拉俯冲带北段,丁巍伟等(2006)根据台湾岛南部海域的多道反射地震剖面,认为其起源于中中新世;基于马拉尼海沟最北端的多道反射地震剖面及重磁反演数据,李春峰等(2007)认为,中新世以来南海地区发生过多阶段的次级俯冲活动;根据台湾南部地区蛇绿岩中辉长岩和斜长花岗岩的锆石测年数据,Chenetal.(2015)认为,吕宋岛弧-弧前基底的年龄在18～16Ma;根据地震剖面解析结果及已有地球化学测年和沉积岩古生物测年数据,高金尉等(2018)认为,马尼拉俯冲带北段开始的时间要早于16.5Ma。基于马尼拉北段局部增生楔中逆冲断裂演化(图4),本文推测南海海盆应在中中新世就已经开始俯冲消减。

图4 马尼拉俯冲带局部增生楔中逆冲构造平衡剖面及构造演化阶段剖面位置见图2Fig.4 Tectonic evolution and their balanced cross-sections of thrusts of the accretionary wedge in Manila subduction zone Profiles’ location seen in Fig.2

综合以上数据结果表明,南海海盆在台湾地区的初始俯冲时间为中中新世(18～16Ma)。对于马尼拉俯冲带中、南段,黄奇瑜(2017)认为,南海海洋岩石圈在早中新世就开始沿着马尼拉海沟向东俯冲于花东海盆之下,并且从6.5Ma开始,北吕宋火山岛弧与欧亚大陆发生斜向碰撞,形成了台湾岛;根据多波束水深数据和反射地震剖面对马尼拉俯冲带中段的构造和地貌进行分析,李家彪等(2004)认为,马尼拉俯冲带初始俯冲时间为中新世;根据反射地震剖面解析结果和前人研究成果,Arfaietal.(2011)认为,马尼拉俯冲带在早中新世开始形成,而南段的俯冲消减可能早在晚渐新世就已开始;Hall (2002)认为,南海板块于早中新世(23Ma)向东沿着马尼拉海沟俯冲于菲律宾海板块之下;李三忠等(2012a)认为,南海早期东部较开阔,～17Ma之后,马尼拉海沟才出现,且随着菲律宾海板块向北俯冲运移和顺时针旋转,导致6Ma以来吕宋沟-弧-盆系统逐渐形成,同时向西俯冲的吕宋海沟和俯冲带形成,使得南海成为半封闭海盆。

南海海盆俯冲的起始时间也可以通过对吕宋岛弧-弧前基底的年龄测定和吕宋弧上覆板块最早的火山活动来限定。Yumuletal.(2003) 根据北吕宋Baguio地区喷发岩和侵入岩K-Ar测年和沉积岩古生物测年数据,表明其初始俯冲时间为早中新世。结合Hollingsetal.(2011) 在Baguio地区的埃达克岩的年龄(～20Ma),说明其在Baguio地区的初始俯冲形成于早中新世。虽然吕宋岛西侧晚新生代岛弧火山岩中的锆石裂变径迹年龄为26Ma(Yangetal., 1996),但学者们普遍更倾向于南段的初始俯冲时间为早中新世。综上所述,本文认为南海海盆的初始俯冲时间为早中新世-中中新世(23～16Ma),并且具有由南向北迁移的趋势,也就是说,菲律宾海板块在整体向NWW向运动。

目前,有关马尼拉俯冲带演化过程已具有较多研究,普遍认为菲律宾群岛最初可能位于南半球,随着菲律宾海板块的运动早期发生了NNW向的漂移,并沿着一条大型剪切带平移至现今位置(Hall, 2002; Sibuetetal., 2002; Queanoetal., 2007)。Yumuletal.(2003)认为,在菲律宾群岛漂移过程中,菲律宾中部与亲华南的巴拉望微陆块发生了碰撞,引发了吕宋岛发生顺时针旋转,连续的NWW向运动使得吕宋岛向更年轻的南海海盆仰冲,于是吕宋岛西侧的转换断层转变为俯冲带(即马尼拉海沟),年轻洋壳向老洋壳或老岛弧下俯冲必然是在外部作用力触发下发生的诱发性俯冲启动,因而可认为马尼拉俯冲起始必然是被动俯冲机制;范建柯(2013)则认为,在菲律宾群岛北向平移且与巴拉望微陆块碰撞之前,马尼拉海沟俯冲带就已经存在,由于沿马尼拉海沟俯冲后撤,导致不断消耗南海洋壳,使得巴拉望微陆块与菲律宾移动带在10Ma左右于现今位置发生碰撞。

综上所述,并结合南海地区新生代板块重建(Liuetal., 2023),可将马尼拉俯冲带构造演化分为以下三个阶段:(1)始新世-渐新世(55～23Ma):由于太平洋板块北向俯冲(Mülleretal., 2008; Setonetal., 2012),华南陆缘在55～45Ma初始裂解表现为一系列宽裂谷,45～34Ma表现为右行右阶的拉分盆地,珠江口盆地记录了这两期构造演化(Suoetal., 2023; Zhouetal., 2023),之后,局部应变集中,使得陆缘彻底破裂,进而南海海盆于33Ma时打开,此时,马尼拉俯冲带作为一条NNW向大型转换断层存在;(2)早-中中新世(23～15Ma):南海海盆南北的欧亚板块和南沙微陆块相关部分(前人曾称为南海板块,实际不存在这个板块)同时开始沿着同一条马尼拉海沟向东俯冲于菲律宾海,然后于15Ma,南海海盆停止扩张;(3)中中新世-早上新世(15～5Ma),随着菲律宾海板块持续地向西北运动,马尼拉海沟的北端逐渐进入碰撞造山阶段,而南部则为洋壳俯冲背景,最终形成了现今的海沟-增生楔-弧前盆地(北吕宋海槽和西吕宋海槽)-火山弧(吕宋火山弧)的地貌组合。

4 东南亚环形俯冲形成与南海海盆俯冲启动

南海海盆东侧的马尼拉俯冲带是东南亚环形俯冲系统的一部分,此环形俯冲系统的演化极其复杂,要认识马尼拉俯冲带起始的前因后果,就必须要全面探索东南亚环形俯冲系统的形成历史(Lietal., 2021; 李三忠等, 2022)。此外,该环形俯冲系统的形成与演化主要受欧亚、太平洋(含菲律宾海)、印度-澳大利亚三大板块活动与重组事件的影响:南海海盆西部的印度板块、澳大利亚板块不断差异向北漂移,最终印度板块与欧亚大陆西侧先碰撞,而南海海盆南部的澳大利亚板块往北漂移与东南亚(巽他陆块)后碰撞;据夏威夷热点轨迹可知,47Ma～现今,南海海盆东部的太平洋板块做北西西向运动,菲律宾海板块形成并向北西-北西西漂移与旋转。因此,需要综合考虑上述三方面共同作用或共同制约的影响,才可能更好的认识马尼拉俯冲带的演化过程。

古新世-早始新世(60～47Ma):自晚中生代以来,西部的印度板块开始向北漂移,并在新生代早期,由于北部的新特提斯洋俯冲消亡,沿着现今雅鲁藏布江缝合带的位置碰撞拼合;之后,澳大利亚板块也从冈瓦纳大陆裂离,并且与印度板块向北的迁移速率不同,两者之间通过转换断层分割。至古新世-始新世(约60～48Ma),印度板块与欧亚板块发生自西向东穿时碰撞(Huetal., 2016; Tongetal., 2017; Wang, 2017; Suoetal., 2022; 朱日祥等, 2022),也有学者认为印度-欧亚板块初始碰撞时间发生在65～63Ma,后期向东西两侧迁移(Dingetal., 2016, 2017),使得欧亚板块内部不同刚性强度的块体开始向东挤出逃逸。与此同时,澳大利亚板块北部的边缘海盆(北澳大利亚洋)沿菲律宾岛弧带发生北向俯冲(丁巍伟等, 2023)。西菲律宾海作为北澳大利亚洋向北俯冲形成的弧后盆地,在58～51Ma左右开始以近E-W轴向扩张(Hilde and Lee, 1984; Ishizukaetal., 2013)。至此,东南亚环形俯冲系统中向北俯冲的南部俯冲系统初步形成(图5a)。

图5 始新世-上新世期间的东南亚板块重建(据Liu et al., 2023修改)AUS-澳大利亚;CP-卡罗琳板块;CB-苏拉威西海盆;MS-马鲁古海盆;NT-新特提斯洋;PSCS-古南海;SCS-南海海盆;BM-婆罗洲微陆块;PP-太平洋板块;PSP-菲律宾海板块;EUR-欧亚大陆Fig.5 Plate reconstruction of Southeast Asia from the Eocene to Pliocene (modified after Liu et al., 2023) AUS-Australia; CP-Caroline Plate; CB-Celebes Basin; MS-Molucca Sea; NT-New Tethys; PSCS-Proto-South China Sea; SCS-South China Sea; BM-Borneo Micro-block; PP-Pacific Plate; PSP-Philippine Sea Plate; EUR-Eurasia

在太平洋构造域,随着依泽奈崎-太平洋洋中脊俯冲殆尽,太平洋板块在55Ma左右向北俯冲至东亚大陆之下(Mülleretal., 2008, 2016),其安第斯型活动大陆边缘开始显著转换为西太平洋型活动大陆边缘,太平洋板块由此真正开始发生俯冲(李三忠等, 2019),活动陆缘发生垮塌,东亚陆缘大量新生代盆地早期出现短暂的宽裂谷演化(Suoetal., 2023)。此后不久,菲律宾海板块东侧的转换型板块边界转变为俯冲带(Liuetal., 2023),受此弧后扩张作用,菲律宾海板块北西向的洋中脊开始扩张。在此期间,马尼拉俯冲带是一条大型的左旋转换断层或走滑断裂带,作为东侧太平洋和西侧古南海的边界存在,将其分隔开来(图5a)。

中晚始新世(47～34Ma):太平洋板块由原来的N向运动转变为NWW向运动(李三忠等, 2019),但俯冲速率维持在8cm/yr左右,进而对地幔流动产生阻挡,促使其向东南方向运动。这种作用使得太平洋板块西部的NNW向转换断层转变为俯冲带(图5b),即北部的伊豆-小笠原-马里亚纳俯冲带(Wuetal., 2022)。之后,西菲律宾海持续扩张,并发生顺时针旋转。同时,在新特提斯洋构造域,印度板块和欧亚板块也开始发生“硬”碰撞,引起地幔流向东南蠕变。在两大构造域共同作用下,中国东部,包括南海和东海陆架盆地在内的区域,整体处于右旋张扭应力场背景,由此形成一系列右行右阶走滑拉分盆地(李三忠等, 2012a; Suoetal., 2023; Zhouetal., 2023)。由于澳大利亚板块突然加速向北漂移,苏门答腊及其北部南海受到挤压作用,这种挤压使得古南海开始向婆罗洲微陆块俯冲(Hall, 2002)。受此弧后扩张作用影响,苏拉威西海开始扩张,其洋壳与同在扩张的西菲律宾海通过一条转换断裂带相连(图5b)(Hall, 2012)。在此期间,马尼拉俯冲带作为一条俯冲带边界存在(图5b, c)。

渐新世(34～23Ma),南海初始扩张,而位于华南地块东南边缘的礼乐-东北巴拉望微陆块开始向南漂移,古南海逐渐消亡,西菲律宾海盆开始停止扩张,此时南海开始普遍出现由裂陷向拗陷过程的转变(李三忠等, 2013)。在此期间,菲律宾海板块连续向北迁移,伴随有顺时针旋转。受此影响,马尼拉俯冲带逐渐再次转变为一条大型左旋走滑断裂带(图5d)。以南海海盆为界,50～23Ma期间,该海盆以西的西部动力系统(新特提洋动力系统)逐渐弱化,而其以东的东部动力系统(太平洋动力系统)逐渐增强。渐新世末(25～23Ma),太平洋板块NWW向运动加快(Northrupetal., 1995; 包汉勇等, 2013),澳大利亚板块快速向北俯冲,逆时针旋转的菲律宾海板块南端俯冲带与澳大利亚板块北段发生碰撞,使得太平洋板块向菲律宾海板块俯冲并阻止其向北运移,俯冲带也逐步转变为走滑断裂(索龙断裂)。受这种碰撞和俯冲活动的影响,菲律宾海板块在顺时针转动的过程中也逐渐向NNW方向移动,菲律宾弧和西侧的俯冲带顺时针旋转,并楔入到欧亚板块和太平洋板块之下,形成琉球海沟(图5d),四国-帕里西维拉海盆停止扩张。与此同时,西菲律宾海盆沿着菲律宾海沟在东菲律宾群岛下向西俯冲,从南部起始,后传递到北部(Fan and Zhao, 2018);原马鲁古海也开始向西侧的苏拉威西海盆之下沿着桑义赫海沟(Sangihe trench)俯冲(Jaffeetal., 2004)。而此时,古南海南侧的俯冲带因婆罗洲微陆块逆时针旋转,其走向由近EW向变为NE向,导致古南海板片拖曳力转变为SE向,因而主动俯冲导致南海洋中脊发生向南跃迁,并被动地调整为NE轴向扩张。至此(即23Ma左右),东南亚环形俯冲系统中向西俯冲的东部俯冲系统初步形成。

早-中中新世(23～15Ma):23Ma后,菲律宾岛弧持续NWW向运动到达南海东侧,与巴拉望微陆块发生碰撞引发了南海海盆东部的走滑边界转变为俯冲带。南海东部洋壳开始向西菲律宾海俯冲消减,形成了马尼拉海沟(Fanetal., 2016)。之后,苏禄海和苏拉威西海也分别沿着内格罗斯海沟(Negros trench)和哥打巴托海沟(Cotabato trench)向东俯冲于菲律宾岛弧之下(Laietal., 2021; 栾锡武, 2022)。至此(即23～15Ma),东南亚环形俯冲系统中向东俯冲的中部俯冲系统也初步形成(图5d)。

中中新世至今:南海海盆扩张结束,并沿马尼拉海沟不断向东侧的西菲律宾海之下俯冲(图5e),吕宋岛弧东侧的菲律宾海板块沿NWW向欧亚板块俯冲,整体表现为在吕宋岛的双向俯冲,并在吕宋弧内形成EW向盆地。在6～5Ma左右(图5f),马尼拉海沟的北端逐渐进入碰撞造山阶段,向西北运动的菲律宾海板块在台湾地区与欧亚大陆发生弧-陆碰撞,台湾岛开始出现并逐渐形成(黄奇瑜, 2017)。

5 马尼拉海沟俯冲与南海海盆的消亡机制

一般认为,俯冲起始的动力学机制可分为自发型和诱发型两种方式(Gurnisetal., 2004; Stern, 2004; Stern and Gerya, 2018)。迄今,前人已经提出了几种地球动力学模型来解释俯冲起始的形成机制,主要包括小规模地幔对流(Solomatov, 2004)、活动俯冲带的极性反转和传递(von Hagkeetal., 2016; Almeidaetal., 2022)、地幔柱(Geryaetal., 2015; Davailleetal., 2017; van Hinsbergenetal., 2021)、洋底高原堵塞(Nair and Chacko, 2008)、热软化(Kissetal., 2020)、沿先存薄弱带的挤压或应力变化(例如断裂带、转换断层或拆离断层;Sutherlandetal., 2017; Fan and Zhao, 2019)和板块运动方向变化(Stern, 2004)等模型。

根据南海海盆周邻板块的重建结果,小规模地幔对流、俯冲极性反转和传递、热软化和洋底高原堵塞等模型似乎不太可能成为早中新世马尼拉俯冲起始的形成机制。同样,地球物理和地球化学证据表明,海南地幔柱主要存在于南海北部、海南岛、雷琼半岛和印支地块等大片区域之下(Xuetal., 2012; Wangetal., 2013, 2022),这也排除了地幔柱是研究区内俯冲起始的主要触发因素。因此,沿先存薄弱面/不连续面的挤压或应力变化可能会符合马尼拉俯冲起始的动力学机制。值得注意的是,在晚渐新世(约25Ma),澳大利亚板块快速向北俯冲,马鲁古海开始向西侧的苏拉威西海盆之下沿着桑义赫海沟俯冲(Hall, 2012, 2019)。同时,菲律宾海板块不断向西北移动并与向南漂移的北巴拉望微陆块发生碰撞,古南海向南俯冲产生的SE向拖曳力。这几大板块共同作用下可能最终导致了南海东侧突然的应力变化,产生了强烈挤压,最终诱发了南海初始俯冲,进而逐渐形成了马尼拉俯冲带。

结合现有资料综合分析,本文认为澳大利亚板块向北运动,并与正北方的菲律宾海板块碰撞,导致的南北向挤压是南海海盆东侧俯冲消亡起始的关键,与此同时菲律宾海板块西侧的仰冲运动更为重要,为太平洋板块整体向NWW运动所驱动,而菲律宾海板块东侧四国-帕里西维拉海盆扩张停止可能与马里亚纳俯冲带俯冲板片高角度俯冲相变、加速俯冲后撤相关,可见,最主要的地球动力来源可能还来自太平洋板块西侧马里亚纳俯冲带后撤。因此,南海俯冲消亡的动力学机制受这三大板块共同作用影响,其具体演化模式如下:

(1)中晚始新世期间(47～34Ma,图6a),南海海盆东部的西菲律宾海板块形成并演化,伴随着顺时针旋转向北运动。太平洋板块继续以NWW向俯冲,受控于NE向断裂体系右行右阶走滑拉分及古南海向南的俯冲拖曳联合作用,南海陆缘在南北向伸展拉张作用下逐渐裂解形成宽裂谷,之后快速转入右行走滑拉分,局部出现开平凹陷的变质核杂岩式箕状断陷盆地,最后在东西走向的局部化地带出现洋壳(王鹏程等, 2017; Suoetal., 2023; Zhouetal., 2023)。此时,马尼拉俯冲带仅作为一条大型转换断层、走滑断裂带或者俯冲带边界存在,分隔着南海与西菲律宾海盆(Liuetal., 2023)。

图6 南海海盆及周边构造演化过程Fig.6 Tectonic processes from rifting, via spreading to subduction of the SCS Basin and its surrounding areas

(2)渐新世-中中新世期间(34～16Ma,图6b),约25Ma,澳大利亚板块的快速向北俯冲,导致其北缘与巽他沟弧系发生初始弧陆碰撞(Hall, 2012),婆罗洲微陆块作逆时针旋转,导致古南海南侧俯冲带由近EW走向转变为NE走向,因而其SE拖曳力导致南海洋中脊被动响应并转变为NE轴向(王鹏程等, 2017);此外,太平洋板块以NWW向斜向向欧亚板块俯冲,导致华南陆块向SE向逃逸、挤出,并呈逆时针旋转,影响整个区域的构造演化。受这种碰撞和俯冲活动的影响,南海、苏禄海及苏拉威西海在南方处于封闭挤压环境之中。

(3)中中新世以来(16Ma～现今,图6c),太平洋板块的北西西向持续运动、澳大利亚板块的北向移动和菲律宾海板块北西向运动及顺时针旋转运动,使得吕宋岛发生逆时针旋转,导致巴拉望微陆块及卡加延脊与菲律宾岛弧在民都洛岛处发生碰撞,进而将菲律宾海西部边界的走滑断裂带转化为俯冲带,南海海盆开始沿马尼拉海沟向东俯冲于菲律宾海板块之下。黎雨晗等(2020)综合分析认为,澳大利亚板块北部在后期出现洋内俯冲,使得南海南部在动力上变为挤压,这可能导致马尼拉俯冲带的形成,进而导致南海开始俯冲消亡。随着南海洋壳的俯冲消减和菲律宾海板块持续的NWW向运动,马尼拉俯冲带不断向西朝南海海盆后撤迁移,在海沟后部形成宽阔的增生楔。持续的NWW向运动的菲律宾海板块最终楔入欧亚板块和太平洋板块之间,并于6Ma左右在台湾地区发生弧-陆碰撞,台湾岛开始形成(图6c),台湾西部出现大量NW向走滑断层,其在台湾岛南、北两侧运动方向分别为左行和右行;整个南海洋壳被NE向右行走滑断层和吕宋-菲律宾岛弧上的近NS向左行走滑断层新分割为独立向SE逃逸的微板块,快速消亡到南沙海槽之下,导致南沙微陆块与婆罗洲微陆块碰撞。

6 结论

通过上述综合分析,从新生代以来欧亚、太平洋、印度-澳大利亚三大板块相互作用入手,结合南海东部马尼拉俯冲带的分段特征及其初始俯冲时间,本文初步得出以下新认识:

(1)南海东部马尼拉海沟最初俯冲时间为早中新世,且自南向北迁移,马尼拉俯冲带未来必然向西被动后撤,并关闭南海。

(2)南海海盆俯冲消减启动的动力来源于菲律宾海板块的NWW向运动和顺时针旋转,与北巴拉望微陆块(民都洛)发生碰撞是南海俯冲消亡形成的关键阶段;虽然沿马里亚纳海沟在局部后撤,但太平洋板块整体向NWW运动的驱动力使得菲律宾海板块向NWW主动楔入,这种运动是南海最终关闭的根本动因。

(3)澳大利亚板块向北运动,并与正北方的菲律宾海板块碰撞,导致的南北向挤压是南海海盆东侧俯冲消亡起始的关键,与此同时菲律宾海板块西侧的仰冲运动与太平洋板块和澳大利亚板块之间差异运动诱发的索龙-菲律宾大断裂的左行楔入有关,而菲律宾海板块东侧四国-帕里西维拉海盆扩张停止可能与马里亚纳海沟后撤诱发的弧后扩张中心向东跃迁相关,最主要的地球动力来源还应来自太平洋板块西侧马里亚纳俯冲带后撤。

(4)南海海盆东侧的马尼拉俯冲带形态上是东南亚环形俯冲系统的一部分,但动力学上可能应归属环菲律宾海板块俯冲系统。可见,东南亚环形俯冲系统的演化极其复杂,是两大俯冲动力系统的复合,而非一个动力学上的环形俯冲系统,最早形成其南部俯冲系统,之后才形成东部俯冲系统。

致谢感谢审稿专家及本刊编辑对本文提出的宝贵意见和建议。